Sao lùn nâu siêu nhẹ và ranh giới sinh tồn giữa sao và hành tinh

Giới hạn nhỏ nhất của một thể vũ trụ hình thành như một ngôi sao nằm ở đâu? Thông qua các quan sát từ Kính thiên văn không gian James Webb, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra những sao lùn nâu siêu nhẹ tại cụm sao IC 348, nằm cách Trái Đất khoảng 1.000 năm ánh sáng trong chòm sao Anh Tiên (Perseus). Những vật thể mới ghi nhận này chỉ có khối lượng nặng gấp đôi sao Mộc, tương đương 0,19% khối lượng Mặt Trời, đặt ra những câu hỏi hoàn toàn mới cho các mô hình hình thành sao lâu nay. [1]

Khám phá này làm mờ đi ranh giới vốn có giữa một ngôi sao chưa đủ điều kiện phát sáng và một hành tinh khí khổng lồ. Việc ghi nhận các thể vũ trụ ở ngưỡng cực hạn này mở ra cơ hội tìm hiểu xem tiến trình sụp đổ hấp dẫn trong vũ trụ có thể tạo ra những vật thể nhỏ đến mức nào. [1]

Quá trình hình thành và bản chất của sao lùn nâu

Trong các vùng không gian sinh sao như cụm IC 348, những đám mây khí hydro phân tử lạnh bị ép chặt và sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính mình để tạo ra những mầm sao mới. Những ngôi sao nhỏ nhất có khả năng duy trì nguồn năng lượng hạt nhân thường cần khối lượng tối thiểu bằng khoảng 8% khối lượng Mặt Trời. Nằm ngay dưới ngưỡng khối lượng này là sao lùn nâu, một lớp vật thể vũ trụ vô cùng đặc biệt. [1]

Sao lùn nâu sinh ra từ cùng một cơ chế sụp đổ đám mây khí như các ngôi sao thông thường. Tuy nhiên, phần lõi của chúng không bao giờ đạt được mức nhiệt độ và áp suất đủ cao để kích hoạt phản ứng tổng hợp hạt nhân biến hydro thành heli bền vững. Một số sao lùn nâu có thể trải qua giai đoạn ngắn tổng hợp đơteri trong thời kỳ đầu, nhưng sau đó sẽ nguội dần theo thời gian. [1]

Hành trình săn tìm vật thể siêu nhẹ của James Webb

Để trả lời câu hỏi về giới hạn nhỏ nhất của các vật thể sinh ra từ quá trình hình thành sao, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các thiết bị tiên tiến trên Kính thiên văn James Webb để rà soát cụm sao IC 348. Vào năm 2022, những quan sát đầu tiên đã ghi nhận các sao lùn nâu có khối lượng bằng ba đến bốn lần sao Mộc. [1]

Đến năm 2024, camera cận hồng ngoại NIRCam tiếp tục ghi lại ánh sáng yếu ớt của các sao lùn nâu trẻ và tiền sao tại đây. Sau khi phân loại các ứng viên dựa trên độ sáng và màu sắc, vào năm 2025, các nhà nghiên cứu đã dùng thiết bị quang phổ cận hồng ngoại NIRSpec để đo đạc và xác nhận khối lượng của chúng. Kết quả thu được là những sao lùn nâu chỉ nặng gấp hai lần sao Mộc, thiết lập kỷ lục về sao lùn nâu nhẹ nhất từng được phát hiện. [1]

Đĩa vật chất quanh sao lùn nâu siêu nhẹ

Bên cạnh khối lượng nhỏ bất ngờ, dữ liệu quan sát từ Kính thiên văn James Webb còn mang lại chi tiết đáng chú ý về môi trường xung quanh các thể vũ trụ này. Một trong những sao lùn nâu nhẹ nhất vừa phát hiện có dấu vết của một đĩa vật chất bao quanh, tương tự đĩa bụi khí thường thấy ở các sao trẻ. [1]

Sự tồn tại của đĩa vật chất xung quanh một sao lùn nâu nhẹ như sao Mộc gợi ý rằng tiến trình tạo thành hành tinh có thể diễn ra ngay cả quanh những thể trung tâm vốn chỉ có khối lượng tương đương một hành tinh khổng lồ. Điều này mở ra một góc nhìn mới về sự đa dạng của các hệ thống dạng hành tinh trong không gian. [1]

Dấu vết phân tử hydrocarbon kỳ lạ

Khi phân tích dải quang phổ thu được từ các sao lùn nâu tại cụm IC 348, nhóm nghiên cứu nhận thấy một tín hiệu đặc trưng xuất phát từ hydrocarbon, những hợp chất được tạo thành hoàn toàn từ các nguyên tử hydro và carbon. Dấu hiệu quang phổ này vốn rất hiếm và mới chỉ ghi nhận trong khí quyển của những sao lùn nâu có khối lượng thấp nhất. [1]

Sự hiện diện của tín hiệu này cho thấy các sao lùn nâu ở ngưỡng khối lượng cực hạn có thể sở hữu đặc điểm khí quyển rất riêng biệt. Việc làm rõ nguồn gốc phân tử hydrocarbon sẽ giúp các nhà thiên văn phân loại chính xác hơn các thể vũ trụ nằm giữa ranh giới sao và hành tinh. [1]

Cấu trúc tiền sao và luồng vật chất sinh động

Vùng sinh sao IC 348 không chỉ chứa các sao lùn nâu mà còn lưu giữ nhiều cấu trúc tiền sao non trẻ. Ở khu vực phía trên bên phải của khung hình quan sát, nhiều tiền sao xuất hiện cùng các đối tượng Herbig-Haro, vốn là những vùng phát sáng hình thành khi luồng khí phun trào tốc độ cao từ sao mới sinh va chạm vào lớp bụi khí xung quanh. [1]

Trong số này có đối tượng HH 797 nằm ngang, thực chất gồm hai tiền sao với các luồng vật chất phun ra gần như song song. Ngay bên cạnh là HH 211 có hình dạng tựa cánh quạt với các luồng khí hẹp lẫn rộng, phác họa một bức tranh toàn cảnh về hoạt động mãnh liệt trong giai đoạn hình thành sao. [1]

Mục tiêu nghiên cứu trong chương trình quan sát

Các dữ liệu thu thập được thuộc chương trình quan sát mã số 4866 trên Kính thiên văn James Webb. Mục tiêu chính của chương trình là xác định ranh giới khối lượng nhỏ nhất mà quá trình hình thành sao có thể đạt tới, đồng thời so sánh mật độ phân bố của các thể khối lượng dạng hành tinh giữa nhiều vùng không gian khác nhau. [1]

Nhờ sự kết hợp giữa các công cụ quan sát cận hồng ngoại hiện đại, việc nghiên cứu cụm sao IC 348 tiếp tục cung cấp những bằng chứng thực tế quan trọng, giúp các nhà thiên văn hoàn thiện mô hình lý thuyết về sự sụp đổ hấp dẫn và sự ra đời của các vật thể trong vũ trụ. [1]